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(1.國家林業(yè)局哈爾濱林業(yè)機械研究所，黑龍江 哈爾濱 150086；2.中國林業(yè)科學(xué)研究院林業(yè)新技術(shù)研究所，北京 100091；3.國家林業(yè)局林業(yè)機電工程重點實驗室，黑龍江 哈爾濱 150086)

研究與設(shè)計

6FD-2100型防火隔離開帶機緩沖越障機構(gòu)的設(shè)計

曹曦明1，3，李芝茹1，2，吳曉峰1，2，3*，李全罡1，2，張北航1，2，韓立志1

(1.國家林業(yè)局哈爾濱林業(yè)機械研究所，黑龍江 哈爾濱 150086；2.中國林業(yè)科學(xué)研究院林業(yè)新技術(shù)研究所，北京 100091；3.國家林業(yè)局林業(yè)機電工程重點實驗室，黑龍江 哈爾濱 150086)

介紹了6FD-2100型防火隔離開帶機的整體組成和結(jié)構(gòu)特點，重點闡述其緩沖越障機構(gòu)的設(shè)計思路、工作原理及關(guān)鍵部件設(shè)計，減振器和蓄能器的設(shè)計和應(yīng)用使整機具有較強的越障能力，進而降低了牽引阻力，提高了設(shè)備翻土性能。

開帶機；越障機構(gòu)；減振器；蓄能器

森林火災(zāi)的發(fā)生除了直接損失活立木、減少木材蓄積量以外，對過火林區(qū)的土壤、地表生物、大氣、森林碳庫和碳循環(huán)、貯木場、周邊居民等的影響也非常嚴(yán)重[1-4]。林火過后易發(fā)生森林病蟲害，火燒跡地生態(tài)恢復(fù)較難，需對形成的低質(zhì)低產(chǎn)林進行長期的養(yǎng)護和改造[5-8]。林火從多方面嚴(yán)重破壞了森林的生態(tài)效益、經(jīng)濟效益和社會效益，林區(qū)防火已成為國內(nèi)外各地區(qū)營林工作的重點，因此各種林火監(jiān)測技術(shù)發(fā)展迅速[9-10]，各類林火撲救設(shè)備應(yīng)運而生[11-12]。在做好林火監(jiān)測和撲救工作的同時，針對林區(qū)道路特點和人工開設(shè)防火阻隔帶的作業(yè)需要，研究出一款越障能力強、翻土效果好、各項性能指標(biāo)高的防火開帶機，其對有效阻隔林火、增強林區(qū)滅火消防作戰(zhàn)能力等均具有重要意義。

1 6FD-2100型防火隔離開帶機的總體結(jié)構(gòu)

本研究設(shè)計的林火阻隔設(shè)備6FD-2100型防火隔離開帶機，主要針對林區(qū)火燒跡地、采伐跡地、荒地、草地等坡度≤15°的林地，以100～200馬力(73.5～147 kW)拖拉機作為牽引機，單程可開設(shè)深度15～35 cm、寬度350～400 cm的生土帶，通過往返作業(yè)可加寬生土帶，以阻隔地表火與林冠火的蔓延。該機具有翻土效果好、牽引阻力小、結(jié)構(gòu)簡單、強度可靠、成本低廉、易于維修和調(diào)整等特點。

圖1 防火隔離開帶機的總體結(jié)構(gòu)1.安裝架；2.油缸；3.左順梁；4.左內(nèi)翻犁片；5.左外翻犁片；6.彈簧減振器；7.蓄能器；8.右順梁；9.右外翻犁片；10.右內(nèi)翻犁片

6FD-2100型防火隔離開帶機總體結(jié)構(gòu)如圖1所示，該機主要由安裝架、左右順梁、圓盤犁片、彈簧緩沖減振器、液壓彈簧蓄能器、絲杠調(diào)整裝置和刮土裝置等組成。在總體結(jié)構(gòu)設(shè)計中，為保證其翻土性能，采用了縱向?qū)ΨQ結(jié)構(gòu)，設(shè)有左右兩個單獨動作的順梁，每個順梁上均裝有兩個凹向相反的圓盤犁體，圓盤犁體采用滾動方式可大大提高越障能力。通過順梁上兩個液壓油缸控制圓盤犁體相對地面的高度，從而確定圓盤犁的翻土深度；通過絲杠來調(diào)整圓盤翻土角度和開帶寬度。另外針對農(nóng)林用圓盤犁體凹面粘土問題，本研究獨特設(shè)計了圓盤犁刮土裝置，即通過刮土針與圓盤犁作相對運動去除犁體凹面附著的粘土，降低犁體翻地阻力，提高整機作業(yè)效率。

設(shè)備的緩沖越障機構(gòu)是本研究設(shè)計的關(guān)鍵部分，下面就其設(shè)計思路、工作原理和關(guān)鍵部件設(shè)計作進一步論述。

2 6FD-2100型防火隔離開帶機緩沖越障機構(gòu)的設(shè)計

2.1緩沖越障機構(gòu)設(shè)計思路

設(shè)計的緩沖越障機構(gòu)主要由彈簧緩沖減振器和液壓彈簧蓄能器兩部分組成，其中彈簧緩沖減振器獨立安裝在每個犁體上，液壓彈簧蓄能器安裝在順梁升降油缸的液壓回路上。由于每個圓盤犁片上分別獨立安裝了彈簧緩沖減振器，使得設(shè)備能夠更靈活地適應(yīng)林地環(huán)境，從而提高整機的越障能力。當(dāng)圓盤犁片接觸到過大的障礙物時，彈簧減振器本身的彈性結(jié)構(gòu)不能使犁片越過障礙物，但液壓蓄能緩沖裝置的蓄能緩沖功能允許順梁升降油缸回油，順梁向上擺動，從而使裝在順梁頂端的圓盤隨之抬高，以越過過大的障礙物。蓄能器工作原理如圖2所示。

圖2 蓄能器工作原理1.液壓彈簧蓄能器；2.換向閥；3.液壓油泵；4.液壓油箱；5.液壓油缸

2.2 緩沖越障機構(gòu)工作原理

當(dāng)圓盤犁片通過較大障礙物時，彈簧緩沖減振器的彈簧已達到極限位置，此時順梁隨犁片的抬高而繼續(xù)上升，使油缸5小腔的壓力高于系統(tǒng)壓力(見圖2)，油缸活塞處于非穩(wěn)定狀態(tài)，迫使油缸5大腔的液壓油回流到液壓彈簧蓄能器的儲油腔內(nèi)，液壓系統(tǒng)處于短暫的平衡；當(dāng)越過較大的障礙物后，犁片下落，使順梁上的油缸活塞回到正常位置，此時液壓緩沖器油腔壓力下降，緩沖器油腔里的彈簧推動活塞回到原來位置。在緩沖及圓盤彈性結(jié)構(gòu)的共同作用下，滾動的圓盤始終具有越障時的地面仿形功能?，F(xiàn)場試驗表明，這一機構(gòu)的緩沖越障效果明顯，各項性能指標(biāo)均能達到設(shè)計要求。

2.3 液壓彈簧蓄能器的設(shè)計

液壓彈簧蓄能器為緩沖越障機構(gòu)的重要部件，由聯(lián)成一個整體的液壓油缸及彈簧腔組成(見圖2)。

2.3.1 蓄能器油缸直徑確定

為使蓄能器油缸里的活塞處于相對穩(wěn)定狀態(tài)，必須滿足下式：

φ1≥φ2

式中：φ1為蓄能器油缸直徑；φ2為順梁油缸直徑。

本設(shè)計選用φ1=80 mm，蓄能器油缸活塞對蓄能器彈簧的最大推力為：

G=πR2f

式中：R為蓄能器油缸活塞半徑；f為液壓系統(tǒng)一般工作壓力。

代入相關(guān)數(shù)據(jù)得：

G=3.14×42×80=4 019(kgf)

2.3.2 蓄能器彈簧設(shè)計

為使結(jié)構(gòu)緊湊，將彈簧設(shè)計成由內(nèi)外兩個彈簧組成的彈簧組。設(shè)計外彈簧承受60%的工作壓力，內(nèi)彈簧承受40%的工作壓力。最大工作壓力P1=0.6G=0.6×4 019=2 411(kgf)，按Ⅱ類工作特性，選60 Si2Mn彈簧，其2級精度應(yīng)力[τ]=60kgf/mm2，[τi]=75kgf/mm2，采用強壓處理可提高應(yīng)力20%。

[τ]=60×(1+20%)=72kgf/mm2

[τi]=75×(1+20%)=90kgf/mm2

式中：τ1為最大負荷產(chǎn)生的切應(yīng)力，τ1=1.25[τ]=1.25×90=112.5kgf/mm2，1.25為安全系數(shù)；K為曲度系數(shù)，K=1.35；D1為彈簧中徑，D1=147 mm。

代入數(shù)據(jù)：

同理，內(nèi)彈簧承受最大工作壓力P2=0.4×4 019=1 607kgf，以此可計算出內(nèi)彈簧鋼絲直徑d2=20 mm，中徑D2=96 mm。

3 結(jié)束語

設(shè)計的防火隔離開帶機緩沖越障機構(gòu)主要由彈簧緩沖減振器和液壓彈簧蓄能器兩部分組成，每個圓盤犁片上都獨立安裝有彈簧緩沖減振器，可使設(shè)備能平穩(wěn)地越過林地中的較小障礙物，如遇到較大障礙物彈簧減振器本身的彈性結(jié)構(gòu)不足以使犁片越過時，其蓄能緩沖裝置即發(fā)揮作用，使裝在順梁頂端的圓盤隨之抬高越過障礙物。

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DesignofBufferObstacle-CrossingMechanismof6FD-2100FireproofBeltMaker

CAOXi-ming1，3，LIZhi-ru1，2，WUXiao-feng1，2，3*，LIQuan-gang1，2，ZHANGBei-hang1，2，HANLi-zhi1

(1.Harbin Research Institute of Forestry Machinery，the State Forestry Administration，Harbin Heilongjiang 150086，China；2.Forestry New Technology Research Institute，the Chinese Academy of Forestry，Beijing 100091，China；3.Key Lab of Forestry Electromechanical Engineering，State Forestry Administration，Harbin Heilongjiang 150086，China)

The overall composition and structural features for 6FD-2100 fireproof belt maker are introduced，with emphasis placed on the design thought，operating principle and the key component design of it buffer obstacle crossing mechanism.The design and application of a damper and an energy accumulator contributes to stronger obstacle crossing ability，thereby reducing drag resistance and improving the ripping performance of the equipment.

belt maker；obstacle crossing mechanism；damper；energy accumulator

S762.3

A

2095-2953(2017)11-0031-03

2017-08-28

中央級公益性科研院所基本科研業(yè)務(wù)費專項項目“林業(yè)用防火隔離開帶機的研制”(CAFYBB2016SY031)

曹曦明(1959-)，男，黑龍江哈爾濱人，高級工程師，學(xué)士，主要從事機械的設(shè)計研究，E-mail：zgx1958@163.com。

*通訊作者：吳曉峰(1967-)，男，黑龍江哈爾濱人，高級工程師，學(xué)士，主要從事林業(yè)機械的研究，E-mail：286710269@qq.com。

(責(zé)任編輯 張雅芳)